冷卻循環(huán)水系統(tǒng)水泵節(jié)能改造技術方案設計

1、姜堰市化肥有限責任公司循環(huán)水系統(tǒng)低壓水泵節(jié)能改造技術方案XXXX新能源科技有限公司2011年9月5日目錄一、項目概況 21.1循環(huán)水系統(tǒng)概況 21.2水泵參數(shù) 31.3系統(tǒng)組建原則 3二、水泵節(jié)能改造方案 42.1水泵調(diào)速節(jié)電原理 42.2水泵調(diào)速控制技術 52.3節(jié)電率概算 62.4循環(huán)水監(jiān)控系統(tǒng) 72.5水泵節(jié)能電氣回路 72.6水泵節(jié)能監(jiān)控結構示意 8三、系統(tǒng)部件規(guī)格和功能 83.1 PLC控制系統(tǒng) 83.1.1 控制器 93.1.2 I/O 輸入輸岀模塊 103.2監(jiān)控系統(tǒng) 123.2.1 硬件 123.2.2 軟件 13三、項目實施步驟 14四、設備清單 15五、附錄 16'

2、、項目概況姜堰市化肥有限責任公司是在原姜堰市化肥廠基礎上于1999年5月重組投產(chǎn)的企業(yè)，由宜興靈谷股份有限公司、姜堰市工業(yè)資產(chǎn)經(jīng)營有限公司、 省化肥公 司三家合股投資興建，為姜堰市重點工業(yè)企業(yè)。下設氮肥、熱電兩個分廠，廠區(qū) 占地14.48萬平方米，具有13萬噸尿素、8萬噸合成氨、12萬KW電力的生產(chǎn)能 力。公司組建后投入近億元，對生產(chǎn)系統(tǒng)進行大規(guī)模技術改造，擴大化肥裝置生產(chǎn)能力，優(yōu)化化肥生產(chǎn)工藝，先后新建35t/h+1 X 3000kw和75t/h+1 X 12MV熱電 機組，綜合利用資源，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)滾動式發(fā)展。1.1循環(huán)水系統(tǒng)概況圖1循環(huán)水工藝流程圖姜堰市化肥有限責任公司的循環(huán)水系統(tǒng)

3、中低壓能耗設備主要有：合成氨冷水泵4臺：1臺備用；冬季運行2臺，其它季節(jié)運行3臺。熱水泵5臺：2臺備用；冬季運行2臺，其它季節(jié)運行3臺。按照冬季125天其它季節(jié)240天計算，低壓部分能耗為電費價格按 0.3元計算, 則低壓能耗費用約為107萬元。而目前姜堰市化肥有限責任公司循環(huán)水系統(tǒng)的所有水泵仍然由人工控制，且全年24小時滿負荷運行，無法根據(jù)生產(chǎn)所需的實際溫度、壓力及流量等要求進行 實時調(diào)整其轉速，因此存在著用電浪費現(xiàn)象。1.2水泵參數(shù)表參數(shù)類型一：類型二：類型三：類型四1.水泵類型：合成氨冷水泵4#合成氨冷水泵1#4#熱水泵5#熱水泵2.水泵型號16SAB-9JA14SH-13A350SP-

4、16500S-22A3.水泵廠家長沙同大水泵廠上海水泵廠長沙同大水泵廠江蘇迎浪水泵廠4.電機額定功率：160KW155KW75KW132KW5.電機額定電流：295A275A139.7A240.7A6.電機實際運行電流：285A270A129A230A7電機額定電壓：380V380V380V380V7.水泵額定流量：31000m/h31116m/h39771440m/h31746m/h8.水泵額定揚程：2016m17m1.3系統(tǒng)組建原則本方案所提出的水泵節(jié)能系統(tǒng)能夠達到以下的技術要求原則：實用性一一符合生產(chǎn)、安全、管理、各項業(yè)務要求，簡便易用。成熟性一一整體結構和技術上采用當前成熟的方案和技術

5、。標準化一一在系統(tǒng)平臺和開發(fā)平臺選型時， 遵循國際標準及工業(yè)標準，系統(tǒng) 采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)及文件格式、網(wǎng)絡通訊規(guī)格、通訊接口。高性價比一一充分利用現(xiàn)有資源，滿足生產(chǎn)需求的前提下，合理增加設備，追求盡可能高的性價比。1、水泵節(jié)能改造方案2.1水泵調(diào)速節(jié)電原理為了解決目前水泵系統(tǒng)中無流量調(diào)節(jié)，或者通過閥門調(diào)節(jié)流量而造成水泵一 直保持在額定功率的情況下運行，從而導致電能大量的浪費、減少了設備的使用 年限。我們提供一種變頻控制管理系統(tǒng)，該變頻控制管理系統(tǒng)通過對水泵供電頻 率進行調(diào)節(jié)，冷水泵按照系統(tǒng)工藝溫度溫差及環(huán)境溫度變化來調(diào)節(jié)供電頻率，從而調(diào)節(jié)流量，達到在滿足系統(tǒng)溫度需求的前提下，實現(xiàn)低壓冷水泵節(jié)電的目

6、的； 熱水泵按照冷水池液位調(diào)節(jié)供電頻率， 從而達到調(diào)節(jié)流量，達到滿足于冷水池恒 定液位前提下實現(xiàn)水泵節(jié)電目的。圖2熱負載年變化的曲線圖 3熱負載日變化的曲線生產(chǎn)設備冷卻水系統(tǒng)采用最佳輸出能量控制。當環(huán)境溫度、系統(tǒng)設備負荷發(fā) 生變化時，各路冷卻水供回水溫度、溫差、壓差和流量亦隨之變化，壓力傳感器、 溫度傳感器、水池液位傳感器、室外溫度傳感器將檢測到的這些參數(shù)送至PLCPLC依據(jù)所采集的實時數(shù)據(jù)，實時計算出末端負荷所需的冷卻水流量，以及各路 冷卻水供回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值，并以此調(diào)節(jié)各變頻器輸出頻率， 控制冷卻水泵的轉速，改變其流量使冷卻水系統(tǒng)的供回水溫度、溫差、壓差和流 量運行在PL

7、C給出的最優(yōu)值。由于冷水系統(tǒng)采用了輸出能量的動態(tài)控制，實現(xiàn)水泵循環(huán)系統(tǒng)跟隨末端負荷 的需求供應，使水泵系統(tǒng)在各種負荷情況下，都能既保證末端設備的需求，又最 大限度地節(jié)省了系統(tǒng)的水泵電機電能消耗。眾所周知，異步電動機運轉速度是由定子電流頻率 f、磁極對數(shù)p及轉差率s 三個參數(shù)決定的，用公式表示如下：由上式可看出，當p、s保持不變時，電機轉速與電流的頻率成正比。頻率 越高，轉速越快，頻率越低，轉速越慢。由水泵特性可知，水泵流量與轉速成正比，即頻率越高，流量越大；頻率越 低，流量越小。水泵的耗電量與機組轉速的三次方成正比， 用調(diào)速電機控制水量， 隨著水量的變化，若使管道某一參數(shù)保持恒定，就可以改變泵

8、的轉速。水泵風機類負荷屬于平方轉矩負荷，即轉矩M與轉速N的平方成正比，而電動機軸的輸出功率，即電動機軸上的輸出功率與轉速的三次方成正比，由此可見，當電動機轉速稍有下降時，電動機功率損耗就好大幅度下降， 耗電量 也隨之大為減少。2.2水泵調(diào)速控制技術現(xiàn)有循環(huán)水系統(tǒng)的低壓水泵4臺并聯(lián)運行，1臺備用；熱水泵為5臺并聯(lián)運 行，2臺備用；所有水泵均為冬季運行2臺，其他季節(jié)運行3臺，在對水泵進行 節(jié)能改造的同時為保證不影響循環(huán)水系統(tǒng)正常運行，故對其中一臺水泵進行變頻 控制，其他2臺工頻運行，用由變頻控制的水泵來調(diào)節(jié)總出水流量， 從而達到調(diào) 節(jié)水溫度的目的。在供水泵出口的總管道和涼水池各安裝一臺溫度傳感器，

9、 利用這兩者之間的 溫差來控制供水泵的轉速，在涼水池安裝一臺液位計，由涼水池的液位控制回水 泵的轉速，以實現(xiàn)供回水的平衡。該水泵節(jié)能系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC（CPU模擬量輸入/輸出模塊、開關量輸 入/輸出模塊），現(xiàn)場儀表、變頻器等設備組成，如圖 4所示。PLC為整個系統(tǒng)的核心，負責采集現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)分析后給出模擬信 號來控制變頻器，從而調(diào)節(jié)水泵的轉速。用戶可根據(jù)生產(chǎn)的實際情況選擇手動調(diào) 速和自動調(diào)速。觸摸屏中可以顯示現(xiàn)場儀表的實時數(shù)據(jù)以及變頻器和水泵的運行參數(shù)。圖4水泵調(diào)速控制結構手動調(diào)速：由操作人員根據(jù)測量數(shù)據(jù)以及人為經(jīng)驗， 設定一固定參考值，PLC 系統(tǒng)根據(jù)整個參考值來調(diào)節(jié)水泵的轉速

10、。自動調(diào)速：PLC系統(tǒng)根據(jù)從現(xiàn)場儀表采集到的實時數(shù)據(jù)，根據(jù)生產(chǎn)裝置的實 際需求，動態(tài)調(diào)整參考值，實現(xiàn)水泵轉速根據(jù)實際需求動態(tài)調(diào)整。2.3節(jié)電率概算根據(jù)泵轉速與進出口溫差成反比關系，即溫差越高，泵轉速越慢；溫度越低， 泵轉速越快。又因為當室外環(huán)境溫度變化時冷卻水水溫及末端溫也度隨之變化， 則設定溫差可隨環(huán)境溫度變化而變化。根據(jù)現(xiàn)場提供的生產(chǎn)工藝溫度數(shù)據(jù)要求及 年環(huán)境補償平均系數(shù)可估算出水泵的節(jié)電率約為 21%計算依據(jù)參考三相異步 電動機經(jīng)濟運行手冊GB12497-1995因熱水泵是根據(jù)冷水池液位調(diào)節(jié)轉速的， 而冷水泵頻率越低時，冷水池液位 越高，則熱水泵頻率越低，因此冷水泵和熱水泵流量保持一致，

11、 所以熱水泵與冷 水泵節(jié)電率基本一致。（以上所得數(shù)據(jù)為理論值，可能與實際值存在偏差。 ）則年節(jié)省低壓用電量=年耗低壓用電量x節(jié)電率mwh x 21% =672.2mwh節(jié)電量合計672.2mwh,節(jié)省費用合計約20.2萬元，節(jié)省電費用占已知耗電費用96萬元的21%折算為標準煤約為268.1噸,碳排放量約為152.4噸。2.4循環(huán)水監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)有循環(huán)水系統(tǒng)管路中無溫度、流量等測量點，僅有少量的就地壓力指示，水泵的開停以及運行數(shù)量完全依賴人為經(jīng)驗判斷。 這就容易造成判斷不精確，響 應不及時和能源浪費等現(xiàn)象的發(fā)生。 為了能更準確、實時的掌握循環(huán)水系統(tǒng)的實 際運行狀況，建議在原循環(huán)水工藝管路的適當位置安

12、裝溫度傳感器和壓力傳感器， 液位傳感器、室外溫度傳感器同時也是對水泵進行變頻節(jié)能改造的需要。改造后的循環(huán)水工藝流程圖，請見附錄2.5水泵節(jié)能電氣回路nsw-: 皈£3 AU圖5變頻改造主回路示意圖三臺水泵同時運行時，其中任意一臺可由變頻控制，該設計的主要目的是:在任何情況下都能保證循環(huán)水系統(tǒng)始終運行在節(jié)能模式下。2.6水泵節(jié)能監(jiān)控結構示意圖6節(jié)能控制結構、系統(tǒng)部件規(guī)格和功能3.1 PLC控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)控制要求，在該項目中我們采用SIEMENS自動化集團的S7-200系 列控制器。S7-200系列PLC適用于各種行業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動 化。強大功能使其無論在獨立運行

13、中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因 此S7-200系列具有極高的性價比。在以下幾方面均有出色表現(xiàn)：?極高的可靠性?極豐富的指令集?易于掌握?便捷的操作?豐富的內(nèi)置集成功能?實時特性?強勁的通訊能力?豐富的擴展模塊S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中發(fā)揮其強大功能，使用范圍可覆蓋從替代 繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民 用設施、環(huán)境保護設備等等。控制器F表是有關CPU 224的有關性能指標:CPU 2246ES7 214-2AD23-0XB8物理特性尺寸(WX HX D)140 X 8

14、0 X 62mm重量390g功耗8W存儲器特性程序存儲器在線程序編輯時12288bytes非在線程序編輯時16384bytes數(shù)據(jù)存儲器10240 bytes裝備100小時/典型值I/O 特性本機數(shù)字量輸入14輸入本機數(shù)字量輸出10輸出本機模擬量輸入2輸入本機模擬量輸出1輸出數(shù)字I/O映象區(qū)256（128輸入/128輸出）模擬I/O映象區(qū)64（32輸入/32輸出）允許最大的擴展I/O模塊7個模塊常規(guī)特性定時器總數(shù)256個1ms4個10ms16個100ms236個計數(shù)器總數(shù)256個集成的通訊功能接口PPIQP/T波特率2 個 RS-485接口9.6,19.2 和 187.5Kbaud電源特性輸入

15、電壓20.4 至28.8V DC輸入電流120mA(僅 CPU,24V DC)900mA(最大負載,24V DC)沖擊電流12A,28.8V DC 時數(shù)字量輸入特性額定電壓30V DC最大持續(xù)允許電壓35V DC，0.5 秒浪涌電壓15V DC,2.5mA邏輯1信號（最小）5V DC,1mA邏輯0信號（最大）1V DC,1mA數(shù)字量輸出特性額定電壓24V DC電壓范圍20.4 至28.8V DC浪涌電流8A,100ms邏輯1（最?。㎜ ± 0.4V DC，最大電流邏輯0（最大）0.1V DC,10K Q負載每點額定電流0.75A3.1.2 I/O 輸入輸出模塊模塊的主要功能為了滿足系

16、統(tǒng)實際I/O點數(shù)的要求，就必須通過I/O擴展模塊增加系統(tǒng)配置 點數(shù)，以達到控制要求。I/O模塊通過U型連接器與中央控制器進行實時通訊， 它主要功能是：采集現(xiàn)場I/O信號，通過I/O信號接口模塊將現(xiàn)場數(shù)字量或模擬 量信號傳送到中央控制站，同時將中央控制器發(fā)送來的控制信號送至現(xiàn)場。高可靠的I/O模塊I/O站主要由以下幾部分組成：擴展電纜* DIN安裝機架* I/O擴展模塊根據(jù)S7-200各個控制器的處理能力和系統(tǒng)需求配置I/O信號接口模塊。循環(huán)水水泵節(jié)能改造系統(tǒng)主要選用了如下2種I/O信號接口模塊：* EM231 莫擬量輸入模塊：4通道 EM232模擬量輸出模塊：2通道4通道的模擬量輸入模塊（6E

17、S7 231-0HC22-0XA8,其技術數(shù)據(jù)如下:EM 2316ES7 231-0HC22-0XA8描述EM231模擬量輸入,4輸入尺寸(WX HX D)mm71.2 X 80 X 62重量183g功耗2W輸入范圍-電壓0- ± 10V,0- ± 5V-電流0-20mADC俞入阻抗> 2MQ電壓輸入250 Q電流輸入精度雙極性11位，加1符號位單極性12位可拆卸連接否額定電壓24V DC電壓范圍20.4V-28.8V DC2通道的模擬量輸出模塊（6ES7 232-0HB22-0XA8 ,其技術數(shù)據(jù)如下:EM 2316ES7 232-0HB22-0XA8描述EM232

18、模擬量輸出,2輸出尺寸(WX HX D)mm46 X 80 X 62EM 2316ES7 232-0HB22-0XA8重量92g功耗2W信號范圍-電壓± 10V-電流0-20mA精度最壞情況，0-55 C-電壓滿里程的土 2%-電流滿里程的土 2%可拆卸連接否額定電壓24V DC電壓范圍20.4V-28.8V DC3.2監(jiān)控系統(tǒng)3.2.1 硬件TPC1062KS是一套以嵌入式低功耗 CPU為核心（ARM CPU主頻400MHZ 的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產(chǎn)品設計采用了10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800 X 480）。OTPC1062KS產(chǎn)品特性尺寸（英寸）10.2液

19、晶屏TFT液晶顯示，LED背光顯示顏色真彩，65535色分辨率800X 480液晶屏亮度200cd/ m2觸摸屏電阻式'供電電源24VDC額定功率5.5WCPU主 板ARM CPU 400MHz內(nèi)存64M存儲設備128M FLASH組態(tài)軟件MCG嵌入式組態(tài)軟件（運行版）環(huán)境條件工作溫度0C 45°C工作濕度5%90%儲存溫度-10 C 60C振動頻率10-57HZ 57-150Hz振動加速度20.075mm 9.8 m/s振動掃頻速率Oct/min < 1產(chǎn)品規(guī)格結構工業(yè)塑料結構顏色工業(yè)灰面板尺寸274mnX 193mm機柜開孔261mnX 180mm外部接口串口1X

20、RS232 1X RS485USB1主1從以太網(wǎng)無認證防護認證CE/FCC防護等級IP65抗干擾性工業(yè)三級322軟件MCG全中文工業(yè)自動化控制組態(tài)軟件（以下簡稱MCG工控組態(tài)軟件或MCG）為用戶建立全新的過程測控系統(tǒng)提供了一整套解決方案。MCGS工控組態(tài)軟件是一套32位工控組態(tài)軟件，可穩(wěn)定運行于 Windows操作系統(tǒng)，集動畫顯示、流程 控制、數(shù)據(jù)采集、設備控制與輸出、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強大功能 于一身，并支持國內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設備，廣泛應用于石油、電力、化工、 鋼鐵、礦山、冶金、機械、紡織、航天、建筑、材料、制冷、交通、通訊、食品、 制造與加工業(yè)、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實

21、驗室等多種工程領域。MCGS勺主要特性和功能如下：簡單靈活的可視化操作界面。實時性強、良好的并行處理性能。豐富、生動的多媒體畫面。開放式結構，廣泛的數(shù)據(jù)獲取和強大的數(shù)據(jù)處理功能。完善的安全機制。強大的網(wǎng)絡功能。多樣化的報警功能。實時數(shù)據(jù)庫為用戶分部組態(tài)提供極大方便。支持多種硬件設備。方便控制復雜的運行流程。良好的可維護性和可擴充性。用數(shù)據(jù)庫來管理數(shù)據(jù)存儲，系統(tǒng)可靠性高。設立對象元件庫，組態(tài)工作簡單方便。實現(xiàn)對工控系統(tǒng)的分布式控制和管理。三、項目實施步驟系統(tǒng)調(diào)試工況修正投入運行設備安裝四、設備清單循環(huán)水系統(tǒng)水泵節(jié)能改造項目主要設備如下表所示:序 號名稱型號參數(shù)廠家數(shù) 量價格1PLC處理器6ES7 214-1AD23-0XB8CPU 224 DC/DC/DC 14 輸入 /10輸出西門子2PLC模塊6ES7 231-0HC22-0XA84AI,12 位，無隔離，010V,0 5V,0